双幅桥梁断面三分力系数气动干扰效应数值模拟研究

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随着桥梁跨度记录的不断刷新,风荷载对桥梁的作用越来越明显。与此同时,为了提高桥梁的通行能力,工程中常采用以下两点措施:一是建设双幅桥面桥,通过水平空间“增大”桥梁的宽度;二是建设双层桥面桥,通过竖向空间“增大”桥梁的宽度。对于双幅桥,在来流风的作用下,分别处于来流上游和下游的桥断面之间会发生相互作用,使得上、下游桥面因气动干扰所引起的静力作用(静力三分力)和动力作用都会与单幅桥断面存在明显差异,该现象称为双幅桥的“气动干扰效应”。在已知的桥梁抗风规范中,对于双幅桥断面的三分力系数没有做出任何建议或规定,因此针对双幅桥断面的气动干扰效应问题进行试验或数值模拟研究具有较高的工程应用价值。本文结合国内外计算风工程(CWE)的研究现状和研究方法,使用大型商用计算软件Fluent,针对双幅桥的三分力系数气动干扰效应进行了数值模拟研究。首先采用SST k-ω湍流模型,通过控制近壁面的?y值对近壁面的网格进行处理,对单幅矩形断面的三分力系数进行数值模拟,将计算结果与风洞试验数据以及前人的计算结果进行比较,验证了本文所用数值模拟方法的可靠性。并采用该方法分别对单幅π形断面、单幅流线形断面的三分力系数进行数值模拟,用于双幅桥气动干扰效应差异性分析。其次研究了桥间距比对上下游桥断面的三分力系数的影响规律。研究结果表明,当上游为上下对称断面(矩形断面和流线型断面)时,在桥间距比D/B=0.5时,下游断面对上游断面的阻力系数会产生较大影响。且当上游为流线形断面时,其阻力系数受到下游流线形断面的影响要明显大于其受到下游钝体断面(矩形断面和π形断面)的影响。当上游为π形断面时,在桥间距比D/B<=0.5时,下游断面均对上游断面的升力系数产生较大的影响。上游断面对下游断面阻力系数的干扰效果随着桥间距的增加逐渐减弱。对于三分力系数根方差,下游断面对上游断面几乎无影响。由于上游断面在其下游所形成尾涡的影响,下游断面的三分力系数根方差将在D/B=1的附近出现较大的波动。本文还通过定义阻力系数遮挡因子、升力系数变化量和升力矩系数变化量,研究了当桥间距比不变时,上游断面对下游断面的三分力系数气动干扰效应规律。结果表明,当D/B=1时,对于上下对称断面,当上下游断面形式一致时其上游对下游的干扰最小。当D/B=2、4时,上游π形断面对下游π形断面的干扰最小。本文研究成果可为双幅桥抗风设计提供参考,具有一定的工程应用价值。
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